초음파로 교반하는 연속 교반 탱크 반응기

연속 교반 탱크 반응기(CSTR)는 촉매 반응, 에멀전 화학, 중합, 합성, 추출 및 결정화를 비롯한 다양한 화학 반응에 널리 사용됩니다. 느린 반응 속도는 CSTR에서 흔히 발생하는 문제이며, 고출력 초음파 처리를 적용하면 쉽게 극복할 수 있습니다. 고출력 초음파의 강력한 혼합, 교반 및 초음파 화학적 효과는 반응을 가속하고 전환율을 크게 높입니다. 초음파 처리기는 용량에 관계없이 CSTR에 쉽게 통합할 수 있습니다.

연속 교반 탱크 반응기에 고출력 초음파를 적용하는 이유는 무엇일까요?

연속 교반 탱크 반응기(CSTR 또는 간단히 교반 탱크 반응기(STR))는 주요 특성에서 회분식 반응기와 상당히 유사합니다. 가장 중요한 차이점은 연속 교반 탱크 반응기(CSTR) 구성에서는 물질이 연속적인 흐름으로 반응기에 공급되고 반응기에서 배출되어야 한다는 점입니다. 반응기로의 공급은 중력에 의한 흐름이나 펌프를 이용한 강제 순환 흐름으로 이루어질 수 있습니다. CSTR는 역혼합 흐름 반응기(BMR)라고도 합니다.
CSTR는 두 가지 이상의 액체를 교반해야 할 때 흔히 사용됩니다. CSTR는 단일 반응기로 사용하거나, 농도가 서로 다른 유체 흐름과 반응 단계에 맞춰 일련의 구성으로 설치할 수 있습니다. 단일 탱크 반응기를 사용하는 것 외에도 여러 탱크를 차례로 직렬 설치하거나 캐스케이드 방식으로 구성하는 방법이 흔히 사용됩니다.
초음파 처리를 사용하는 이유는 무엇일까요? 초음파 혼합과 교반, 그리고 고출력 초음파의 초음파 화학적 효과는 화학 반응의 효율 향상에 기여하는 것으로 잘 알려져 있습니다. 초음파 진동과 캐비테이션에 따른 혼합 개선 및 입자 크기 감소는 반응을 크게 가속하고 전환율을 높입니다. 초음파 화학적 효과는 화학 반응을 개시하고 화학 반응 경로를 전환하는 데 필요한 에너지를 제공할 수 있으며, 반응이 더욱 완전하게 진행되도록 하여 더 높은 수율을 얻을 수 있게 합니다.

초음파로 강화한 CSTR는 다음과 같은 용도에 사용할 수 있습니다:

• 불균일계 액체–액체 반응
• 불균일계 고체–액체 반응
• 균일계 액상 반응
• 불균일계 기체–액체 반응
• 불균일계 기체–고체–액체 반응

고속 화학 합성 시스템으로서의 초음파 처리

고속 합성 화학은 화학 합성을 개시하고 강화하는 데 사용되는 새로운 반응 기법입니다. 환류 조건에서 수 시간 또는 수일이 필요한 기존 반응 경로와 비교하여, 초음파로 촉진하는 합성 반응기는 반응 시간을 수 분으로 최소화하여 합성 반응을 크게 가속할 수 있습니다. 초음파를 이용한 합성 강화는 음향 캐비테이션의 작동 원리와 국소적으로 한정된 과열을 비롯한 관련 작용에 기반합니다. 다음 절에서 초음파, 음향 캐비테이션 및 초음파 화학에 대해 자세히 알아보세요.

초음파 캐비테이션과 그 초음파 화학적 효과

초음파(또는 음향) 캐비테이션은 고출력 초음파가 액체나 슬러리에 전달될 때 발생합니다. 캐비테이션은 액상에서 기상으로의 전이로, 압력이 유체의 증기압 수준까지 떨어질 때 발생합니다.
초음파 캐비테이션은 매우 높은 전단력과 최대 1000m/s의 액체 제트를 생성합니다. 이러한 액체 제트는 입자를 가속하고 입자 간 충돌을 일으켜 고체와 액적의 입자 크기를 줄입니다. 또한 – 내파하는 캐비테이션 기포 내부와 그 바로 주변의 국소 영역에서는 – 수백 기압 수준의 극도로 높은 압력과 수천 켈빈 수준의 온도가 발생합니다.
초음파 처리는 순수한 기계적 처리 방법이지만, 국소적으로 극심한 온도 상승을 일으킬 수 있습니다. 이는 붕괴하는 캐비테이션 기포 내부와 그 바로 주변에서 발생하는 강력한 힘 때문이며, 이 영역에서는 섭씨 수천 도의 온도에 쉽게 도달할 수 있습니다. 용액 전체에서 단일 기포의 내파로 인한 온도 상승은 거의 무시할 수 있지만, 캐비테이션 고온점에서 관찰되는 수많은 캐비테이션 기포의 열 방출은 결국 용액 전체에 측정 가능한 온도 상승을 일으킬 수 있습니다. 이러한 고온점은 고출력 초음파 처리로 생성됩니다. 초음파 처리와 음향화학의 장점은 처리 중 온도 효과를 제어할 수 있다는 점에 있습니다. 냉각 재킷이 있는 탱크와 펄스 초음파 처리를 사용하면 용액 전체의 온도를 제어할 수 있습니다. Hielscher Ultrasonics의 정교한 초음파 처리기는 온도 상한에 도달하면 초음파를 일시 중지하고, 설정된 ∆T의 하한값에 도달하는 즉시 초음파 처리를 재개할 수 있습니다. 이는 열에 민감한 반응물을 사용할 때 특히 중요합니다.

음향화학은 반응 동역학을 개선합니다

초음파 처리는 강력한 진동과 캐비테이션을 발생시키므로 화학 반응 동역학에 영향을 미칩니다. 화학계의 반응 동역학은 캐비테이션 기포의 팽창 및 내파와 밀접하게 연관되어 있으며, 이에 따라 기포 운동의 동역학에 상당한 영향을 미칩니다. 화학 반응 용액에 용해된 기체는 열적 효과와 화학적 효과를 통해 음향화학 반응의 특성에 영향을 미칩니다. 열적 효과는 캐비테이션 공동 내에서 기포가 붕괴할 때 도달하는 최고 온도에 영향을 미치며, 화학적 효과는 반응에 직접 관여하는 기체의 작용을 변화시킵니다.
Suzuki 커플링 반응, 침전, 결정화 및 에멀전 화학을 포함하여 반응 동역학이 느린 불균일 및 균일 반응은 고출력 초음파와 그 음향화학적 효과를 통해 개시하고 촉진하기에 매우 적합합니다.
예를 들어, 페룰산 합성에서는 180 W 출력의 저주파(20kHz) 초음파 처리로 60°C에서 3 h 만에 94%의 페룰산 수율을 얻었습니다. Truong 등(2018)의 이러한 결과는 저주파 초음파(혼 방식 및 고출력 조사)를 사용하면 전환율이 상당히 개선되어 90%보다 높은 수율을 얻을 수 있음을 보여줍니다.

초음파로 강화된 에멀전 화학

에멀젼 화학과 같은 불균일 반응은 고출력 초음파 적용으로 상당한 이점을 얻습니다. 초음파 캐비테이션은 각 상의 액적을 작게 만들고 서로의 상 내부에 균일하게 분산시켜 서브마이크론 에멀젼 또는 나노에멀젼을 형성합니다. 나노 크기의 액적은 다른 액적과 상호작용할 수 있는 표면적이 대폭 증가하므로 물질 전달과 반응 속도가 크게 향상됩니다. 초음파 처리 시, 일반적으로 반응 속도가 느린 것으로 알려진 반응에서 전환율이 극적으로 개선되고, 수율이 높아지며, 부산물이나 폐기물이 줄어들고, 전반적인 효율이 향상됩니다. 초음파로 개선된 에멀젼 화학은 에멀젼 중합에 자주 적용되며, 예를 들어 고분자 블렌드, 수성 접착제 및 특수 고분자 생산에 사용됩니다.

화학 반응기를 구매하기 전에 알아야 할 10가지

화학 공정에 사용할 화학 반응기를 선택할 때 최적의 화학 반응기 설계에 영향을 미치는 요인은 많습니다. 화학 공정이 다상 불균일 화학 반응을 포함하고 반응 속도가 느리다면, 반응기 교반과 공정 활성화는 성공적인 화학적 전환과 화학 반응기의 경제적인 운영 비용을 위한 핵심 영향 요인입니다.
초음파 처리는 화학 배치 반응기와 인라인 반응 용기에서 액체–액체 및 액체–고체 화학 반응의 반응 속도를 크게 향상시킵니다. 따라서 화학 반응기에 초음파 프로브를 통합하면 반응기 비용을 줄이고 전반적인 효율과 최종 제품의 품질을 개선할 수 있습니다.
화학 반응기 엔지니어링에서는 초음파를 이용한 공정 개선에 관한 지식이 부족한 경우가 매우 많습니다. 고출력 초음파, 초음파 교반, 음향 캐비테이션 및 초음파 화학적 효과가 화학 반응기 성능에 미치는 영향을 깊이 이해하지 못하면, 화학 반응기 분석과 기존 설계 원리로는 열등한 결과만 얻을 수 있습니다. 아래에서는 화학 반응기 설계와 최적화에서 초음파가 제공하는 근본적인 이점을 개괄적으로 살펴봅니다.

초음파로 강화된 연속 교반 탱크 반응기(CSTR)의 장점

• • 실험실 및 생산용 초음파 강화 반응기:
    손쉬운 규모 확장: 실험실 규모, 파일럿 및 대규모 생산에 적합한 초음파 처리 장비를 쉽게 구할 수 있습니다
    재현성 / 반복성이 있는 결과 – 정밀하게 제어할 수 있는 초음파 매개변수 덕분
    처리 용량과 반응 속도: 초음파로 강화된 반응은 더 빠르므로 더 경제적입니다(비용 절감)
  • 초음파 화학은 일반적인 목적뿐 아니라 특수한 목적에도 적용할 수 있습니다

– 적응성과 다용도성, 예: 유연한 설치 및 구성 옵션과 여러 분야에 걸친 활용

• 초음파 처리는 폭발성 환경에서 사용할 수 있습니다
  – 퍼징(예: 질소 블랭킷)
  – 개방된 표면 없음
• 간편한 세척: 자체 세척(CIP – 제자리 세척)
• 선호하는 제작 재료를 선택하십시오
  – 유리, 스테인리스강, 티타늄
  – 회전축 씰 없음
  – 폭넓은 밀봉재 선택
• 초음파 처리 장비는 넓은 온도 범위에서 사용할 수 있습니다
• 초음파 처리 장비는 넓은 압력 범위에서 사용할 수 있습니다
• 다른 기술과의 시너지 효과, 예: 전기화학(초음파 전기화학), 촉매 작용(초음파 촉매 작용), 결정화(초음파 결정화) 등
• 초음파 처리는 생물반응기의 성능 향상에 이상적이며, 발효가 그 예입니다.
• 용해 / 용해시키기: 용해 공정에서는 입자가 한 상에서 다른 상으로 이동하며, 고체 입자가 액체에 용해되는 경우가 그 예입니다. 교반 정도가 공정 속도에 영향을 미치는 것으로 밝혀졌습니다. 초음파 캐비테이션 조건에서는 다수의 작은 결정이 기존의 교반식 배치 반응기에 있는 하나의 결정보다 훨씬 빠르게 용해됩니다. 여기에서도 속도 차이의 원인은 입자 표면에서의 물질 전달 속도 차이에 있습니다. 예를 들어, 초음파 처리는 결정화 공정(초음파 결정화) 등에서 과포화 용액을 만드는 데 성공적으로 적용됩니다.
• 초음파로 촉진하는 화학적 추출:
  – 액체–고체: 예를 들어 식물 추출, 화학적 추출
  – 액체–액체: 액체–액체 추출 시스템에 초음파를 가하면 한 상이 다른 상에 분산된 에멀젼이 형성됩니다. 이러한 에멀젼 형성은 서로 섞이지 않는 두 상 사이의 계면적을 증가시켜 상 간 물질 전달 플럭스를 향상시킵니다.

초음파 처리는 교반 탱크 반응기의 화학 반응을 어떻게 개선합니까?

• 더 넓은 접촉 표면적: 서로 다른 상에 있는 반응물 간의 반응에서는 계면에서 서로 충돌하는 입자만 반응할 수 있습니다. 계면이 넓을수록 더 많은 충돌이 일어날 수 있습니다. 물질의 액체 또는 고체 부분이 더 작은 액적이나 고체 입자로 쪼개져 연속상 액체에 부유하면 해당 물질의 표면적이 증가합니다. 또한 크기가 감소하면 입자 수가 증가하므로 입자 간 평균 거리가 줄어듭니다. 이에 따라 연속상이 분산상에 노출되는 정도가 증가합니다. 따라서 분산상의 미세화 정도가 높아질수록 반응 속도가 증가합니다. 분산액이나 에멀젼에서 일어나는 많은 화학 반응은 초음파에 의한 입자 크기 감소로 반응 속도가 크게 향상됩니다.
• 촉매 작용(활성화 에너지): 촉매는 실험실 개발과 산업 생산에서 이루어지는 많은 화학 반응에서 매우 중요합니다. 촉매는 고체상이나 액체상인 경우가 많으며, 하나의 반응물 또는 모든 반응물과 섞이지 않습니다. 따라서 촉매 반응은 대개 불균일 화학 반응입니다. 황산, 암모니아, 질산, 에텐, 메탄올과 같은 가장 중요한 기초 화학물질의 생산에서 촉매는 중요한 역할을 합니다. 환경 기술의 광범위한 분야는 촉매 공정을 기반으로 합니다. 입자가 충분한 운동 에너지를 가지고 충돌할 때에만 입자 간 충돌이 화학 반응, 즉 원자의 재배열로 이어집니다. 초음파 처리는 화학 반응기의 반응 속도를 높이는 데 매우 효율적인 수단입니다. 불균일 촉매 공정에서 화학 반응기 설계에 초음파를 도입하면 촉매의 필요량이나 요구 수준을 낮출 수 있습니다. 그 결과 더 적은 양의 촉매를 사용하거나 성능이 낮고 귀금속성이 더 낮은 촉매를 사용할 수 있습니다.
• 더 높은 접촉 빈도 / 향상된 물질 전달: 초음파 혼합 및 교반은 반응에 이용할 수 있는 활성 표면적이 더 넓은 미세한 액적과 입자(즉, 서브마이크론 및 나노 입자)를 생성하는 데 매우 효과적인 방법입니다. 고출력 초음파가 유발하는 추가적인 강한 교반과 미세 운동으로 입자 간 접촉 빈도가 크게 증가하여 전환율이 상당히 향상됩니다.
• 압축 플라스마: 많은 반응에서 반응기 온도가 10 켈빈 상승하면 반응 속도가 대략 두 배가 됩니다. 초음파 캐비테이션은 화학 반응기 내 액체 전체를 크게 가열하지 않으면서 액체 내부에 최대 5000K의 반응성이 매우 높은 국소 열점을 생성합니다.
• 열에너지: 화학 반응기 설계에 도입하는 모든 초음파 에너지는 결국 열에너지로 전환됩니다. 따라서 이 에너지를 화학 공정에 재사용할 수 있습니다. 초음파 처리는 발열체나 증기로 열에너지를 공급하는 대신 고주파 진동을 통해 공정을 활성화하는 기계적 에너지를 도입합니다. 이는 화학 반응기 내에서 초음파 캐비테이션을 발생시켜 여러 수준에서 화학 공정을 활성화합니다. 궁극적으로 화학물질에 가해지는 강력한 초음파 전단 작용은 열에너지, 즉 열로의 전환을 일으킵니다. 화학 반응의 공정 온도를 일정하게 유지하기 위해 재킷형 배치 반응기나 인라인 반응기를 사용하여 냉각할 수 있습니다.

CSTR의 화학 반응 개선을 위한 고성능 초음파 처리기

Hielscher Ultrasonics는 연속 교반 탱크 반응기(CSTR)에 통합하기 위한 고성능 초음파 균질기와 분산기를 설계, 제조 및 공급합니다. Hielscher 초음파 장치는 전 세계에서 화학 반응을 촉진, 강화, 가속하고 개선하는 데 사용됩니다.
Hielscher Ultrasonics의 초음파 처리 장치는 소형 실험실 장치부터 유동 화학 응용 분야를 위한 대형 산업용 처리 장치까지 모든 규모로 제공됩니다. 가장 중요한 매개변수인 초음파 진폭을 정밀하게 조절할 수 있어 Hielscher 초음파 장치를 낮은 진폭부터 매우 높은 진폭까지 운전할 수 있으며, 특정 화학 반응계에 필요한 초음파 공정 조건에 정확히 맞도록 진폭을 미세 조정할 수 있습니다.
Hielscher의 초음파 발생기에는 자동 데이터 기록 기능을 갖춘 스마트 소프트웨어가 탑재되어 있습니다. 장치를 켜는 즉시 초음파 에너지, 온도, 압력, 시간 등 모든 주요 공정 매개변수가 내장 SD 카드에 자동으로 저장됩니다.
공정 모니터링과 데이터 기록은 연속 공정의 표준화와 제품 품질에 중요합니다. 자동으로 기록된 공정 데이터에 접근하여 이전 초음파 처리 실행을 검토하고 결과를 평가할 수 있습니다.
당사의 디지털 초음파 시스템은 사용자 편의를 위한 또 다른 기능으로 브라우저 원격 제어를 제공합니다. 브라우저 원격 제어를 통해 어디서든 초음파 처리 장치를 원격으로 시작, 정지, 조정하고 모니터링할 수 있습니다.
당사의 고성능 초음파 균질기가 귀사의 연속 교반 탱크 반응기(CSTR)를 어떻게 개선할 수 있는지 자세히 알아보려면 지금 문의하십시오!
아래 표는 당사 초음파 장치의 대략적인 처리 용량을 보여줍니다: